隨著集成電路工藝的發展，基準電流源模塊廣泛應用于模擬及數模混合信號諸多領域。在過去的十幾年里，微機電系統(MEMS)技術的研究與發展為基準電流源模塊帶來新的市場和設計挑戰。從MEMS發展的總體水平看，許多關鍵技術已經突破，正處于從實驗室研究走向實用化、產業化階段。我國的微系統研究在基礎研究和相關技術方面都取得了一些有特色的成果[1]，其中MEMS傳感器技術發展尤為迅速。基于此，本文提出一種可用于MEMS氣體傳感器的基準電流源設計方案，該方案能夠滿足MEMS傳感器技術條件下的低溫度漂移、高電源抑制比(PSRR)的特點。
1 基準電流源原理分析
1.1 Widlar型基準電流源小信號建模
    Widlar型基準電流源如圖1所示[2]，由于Q1、M4采用二極管連接的方式，故可分別用一個電阻表示；M3、M5可分別用一個電壓控制電流源與電阻并聯表示。由BJT小信號模型可知，Q2可用一個等效的電壓控制電流源與等效電阻并聯表示[3]，Widlar型基準電流源小信號模型如圖2所示。

    由于V2的電壓受自偏置結構影響，內部存在的反饋環路能夠保持電壓穩定，從而由圖1電路可以得到一個穩定電流。圖2中，g′m2為Q2和R的等效跨導，R′為Q2和R的輸出電阻。由電路等效理論可知：

其中，由于分母是1減去環路增益，可得到該電路中存在的反饋為正反饋。理論上只有越小的環路增益才能獲得更小的閉環增益，根據上述理論分析，為了獲得具有高電源抑制能力的電流源且電路穩定，本設計采取更改反饋屬性以增大環路增益。
1.2 高階曲率補償理論分析
    電流源溫度系數補償電路目前應用較為廣泛的是利用Widlar核心電路產生PTAT電流，BJT的BE結產生負溫度系數電流，再由兩者互相補償，產生基準電流Iref[4]。電流補償如圖3所示。

    BJT中BE結電流方程為：

2 具體電路實現
    圖4為基準電流源設計電路。如不加說明，則認為所有PMOS管襯底接電源電壓；所有NMOS管襯底接地電壓。圖中，C、D部分為基準電流核心電路，C部分產生IPTAT。依據上述基準電流源原理分析，在Widlar電流源框架下通過斷開Q1的二極管連接，加入運算放大器并改變反饋屬性以提高反饋系數。為了降低電路的復雜度，加入單級差分運放。D部分為產生IV和INL實現電路，

3 仿真與討論
    本文設計方案經由SMIC 0.35 μm BICMOS工藝、Hspice驗證仿真，Cscope圖形查看軟件綜合。
    圖5為Widlar型基準電流源反饋環路不同增益下基準電流PSRR曲線。由圖5可以看出，在反饋環電路中添加運算放大器時，PSRR為144.07 dB；未添加運算放大器時，PSRR為134.37 dB。

    圖6為基準電流源溫度特性曲線。溫度變化范圍為-30 ℃～100 ℃，基準電流平均值為15.394 μA，電流變化范圍為24.833 nA，基準電流溫度系數為12.4 ppm/℃。

    將本文設計方案與部分參考文獻主要參數進行比較，結果見表1[5-7]。從表1可見，該基準電流源具備良好的性能指標，可應用于MEMS傳感器系統的高PSRR和低溫度系數環境中。

   
參考文獻
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